Esta presentación sobre el rayo sólo pretende abordar de forma concreta los diferentes aspectos prácticos de la protección contra el rayo, las instalaciones y los materiales habituales en la industria.
Por supuesto, la protección de las personas sigue siendo la principal preocupación de todos los responsables.
Sin embargo, este campo es cosa de especialistas, y los organismos de inspección de instalaciones eléctricas cumplen esta función de forma competente.
Por lo tanto, nos limitaremos al aspecto material del tema de la iluminación , aunque a veces se esboce una mirada a la protección de las personas.
Daños: En Francia: varios millones de rayos al año (sobre todo cuando hace calor).
Los rayos a veces matan y sobre todo causan daños, a menudo espectaculares:
- Personas y animales alcanzados por un rayo,
- Edificios destruidos por docenas,
- Equipos electrónicos, electrodomésticos, ... dañados,
- Fallos en los sistemas automáticos.
La magnitud de los daños refleja tanto la potencia del fenómeno como la falta de atención a los métodos de protección.
Se trata de una idea muy extendida y, sin embargo, especialmente falsa. Un enfoque decididamente técnico sólo puede convencernos de lo contrario:
El primer paso es considerar el rayo como un acontecimiento físico clásico y no como una intervención divina o sobrenatural.
Entonces saldremos del reino de la superstición y entraremos en el reino del racionalismo.
A continuación, intentaremos destacar los hechos y caracterizar la acción del rayo.
Por tanto, si el rayo es un fenómeno físico, su estudio debe ser posible. Muchos talentos, sobre todo franceses, han trabajado con brillantez. De su trabajo extraemos las siguientes lecciones:
- Proceso de descarga del rayo
- Zonas expuestas
- Onda de choque
- Propagación de la onda
- Los efectos del rayo
Los rayos sólo se producen en presencia de nubes cumulonimbos. Tienen una masa especialmente grande en el plano vertical y pueden alcanzar alturas de entre 2 y 14 km. Las diferencias de temperatura entre las partes superior e inferior de las nubes provocan una intensa circulación del aire (actividad termodinámica).
Por la fricción, las partículas en movimiento se cargan eléctricamente y estas cargas se acumulan en los extremos verticales de las nubes. Por influencia del entorno, incluido el suelo, se polariza en sentido contrario al de la zona de nubes más cercana.
Los golpes de rayo Una toma de rayo se califica como negativo cuando la parte negativa de la nube se descarga, y como positivo cuando no lo hace. 
Un rayo se denomina descendente cuando el precursor parte de la base de la nube, y ascendente si el precursor termina en la base de la nube.
Bajo la influencia de estas cargas, aparecen campos eléctricos, tanto entre las nubes y la tierra como entre las nubes.
Los valores de estos campos pueden alcanzar algunas decenas de kV/m.
Las impurezas del aire y la humedad ambiental durante las tormentas favorecen un aumento local de los campos eléctricos y una disminución de las tensiones de ignición.
Se producen entonces descargas electrostáticas dentro de estos diferentes dipolos.
Comienza el proceso de descarga.
Por tanto, el proceso de descarga comienza su ciclo en cuanto se produce la primera ruptura del aislamiento entre la base de la nube y cualquier punto de su entorno.
Luego, en saltos sucesivos, de 50 a 100 metros, parte de la carga de la nube se transfiere al punto de impacto. La trayectoria de estas "predescargas" traza un camino altamente ionizado llamado: trazador o precursor.
La trayectoria seguida por el trazador es muy irregular. Durante su avance, el gradiente de potencial (campo eléctrico) aumenta y da lugar a numerosas ramificaciones. En las proximidades de objetos, construcciones o cualquier otro elemento susceptible de servir de vector para la disipación de la energía del rayo, las chispas (descarga de captura) salen disparadas y se encuentran con el precursor.
A continuación, se traza completamente la trayectoria ionizada entre el punto de impacto y la nube.
La diferencia de potencial a lo largo de este trayecto alcanza algunos cientos de millones de voltios. Inmediatamente fluye una corriente de intensidad considerable, denominada: primera carrera de retorno, descarga principal o arco de retorno.
El valor de pico de la corriente de descarga varía desde unas decenas de kA (40 kA de media) hasta un máximo de cien kA para los rayos negativos descendentes.
En Europa, donde el clima es templado, representan entre el 80 y el 90% de los choques.
Los choques positivos hacia arriba pueden alcanzar intensidades de varios cientos de kA.
Varios arcos de retorno, una media de 4 por destello, se suceden en un intervalo de tiempo de 500 ms a 1 s.
Para fijar ideas sobre la exposición más o menos grande de una zona geográfica, es habitual utilizar ahora la noción de nivel de queratina, consagrada además por la norma NF C15 100. El nivel kerunico que indicaba, para un lugar determinado, el número de días durante los cuales se oían truenos en un año es cada vez más sustituido por el número medio de choques por km². La relación entre estas dos nociones oscila entre :
Nc = Nk / 10 y Nk/20
En Francia, el nivel kerunico puede alcanzar los 35, lo que significa que entre 3 y 4 choques por km² afectan cada año a las zonas más expuestas de nuestro país.
Para arreglar los espíritus se puede retener que Indonesia conoce niveles kerunicos de 200! Todo el mundo entiende que estos intentos de medir la intensidad de las tormentas en una zona no tienen en cuenta las realidades específicas de un lugar determinado. Algunos aspectos complementarios que veremos más adelante ayudarán a conseguirlo.
Para facilitar los estudios, los análisis, las pruebas y las comparaciones, es imprescindible utilizar referencias comunes a todos los actores.
Para caracterizar la resistencia al rayo de los equipos, así como las tensiones de encendido de los dispositivos de protección contra el rayo, se ha normalizado la onda de choque del rayo. Se denomina comúnmente onda: 1,2 / 50 8 /20
Tiene un espectro de frecuencias muy amplio, que va desde frecuencias muy bajas hasta más de 1 MHz.
La onda de tensión: - Sube en 1,2µs (del 10% al 90% de U), - Cuando se alcanza la tensión disruptiva (tensión de encendido) (100% de U), aparece la onda de corriente que cae en 50 µs (50% de U). La onda de corriente: - Subida de 8 µs (del 10% al 90% de I) - Caída de 20 µs (50% de I). - Es responsable de la destrucción de materiales por efecto térmico.
La descripción del proceso de descarga presenta el conjunto nube/tierra como un dipolo que se descarga tras sucesivas botas buenas.
Para definir las circunstancias que favorecen la descarga de este enorme condensador, debemos preguntarnos por qué se produce una descarga en un lugar determinado. Entre los elementos que lo favorecen, podemos mencionar los siguientes:
- La distancia entre las cargas(= entre la nube y el suelo): cuanto más pequeña sea la distancia, más fácil será la iniciación. Los impactos más numerosos se registran siempre en las zonas montañosas.
- La naturaleza del suelo: cuanto más conductivo es, más se carga. Las regiones mineras, el carbón, el hierro, incluso en los países llanos están más expuestas, así como las grandes superficies de agua.
- La topografía de los lugares que, como los valles, favorecen la circulación de los vientos y provocan una ionización del aire, creando aquí más que allí pasajes de baja impedancia.
- La presencia de antenas largas (cable aéreo de alta tensión) o de estructuras altas con o sin efecto de pico favorece enormemente las igniciones.
Por lo tanto, el recorrido del rastreador por los vales no debe nada al azar, siempre se realiza por el camino más fácil. Como se trata de un fenómeno eléctrico, el camino más fácil es el de menor impedancia. Aquí conviene hablar de impedancia y no sólo de resistencia, porque las frecuencias de la onda de choque son, como hemos visto, superiores a los MHz.
Hay que recordar que la impedancia de un circuito es directamente proporcional a su resistencia así como a la frecuencia a la que está sometido e inversamente proporcional a su capacidad.
En el caso del análisis, los métodos y los medios de protección, que es lo que nos ocupa, la tierra es siempre el destino final de la descarga del rayo, aunque las iniciaciones aéreas (entre las nubes) sean las más numerosas. Esta simplificación voluntaria sobre la propagación de la onda de choque, permite en términos concretos vislumbrar las formas de protección y también enunciar una regla simple, para el uso de los no especialistas que deseen comprender el fenómeno para dominar su propio sistema de protección:
Un rayo siempre va a tierra y toma el camino de menor impedancia.
Se pueden distinguir dos tipos de rayos por sus efectos y, por tanto, por los medios de protección:
Son choques que caen directamente sobre un objeto o un ser vivo para fluir hacia el suelo.
un objeto o un ser vivo que se ve afectado por el paso de una corriente, aunque no haya sido tocado por el rayo.
Esta corriente fluye, ya sea porque un conductor lleva la sobretensión desde el punto de choque hasta el punto de flujo, o porque se ha propagado a través de un acoplamiento inductivo, electrostático o electromagnético.
No es necesario detallar los efectos de una descarga que golpea directamente a un equipo o a un edificio. Los de los choques indirectos no siempre se identifican como debidos a una descarga atmosférica.
Por ejemplo, los efectos electrostáticos en un aparato no van precedidos del sonido característico de un rayo y, por tanto, no se asocian a la actividad de una tormenta.
Las energías implicadas pueden ser suficientes para dañar, de momento, componentes que se destruirán un poco más adelante.
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